Una lámpara de vapor de sodio es una lámpara de descarga de gas que utiliza sodio en estado excitado para producir luz en una longitud de onda característica cercana a los 589 nm .
Existen dos variedades de estas lámparas: de baja presión y de alta presión . Las lámparas de sodio de baja presión son fuentes de luz eléctrica muy eficientes, pero su luz amarilla restringe las aplicaciones a la iluminación exterior, como las farolas , donde se utilizan ampliamente. [1] Las lámparas de sodio de alta presión emiten un espectro de luz más amplio que las lámparas de baja presión, pero aún tienen una reproducción de color más pobre que otros tipos de lámparas. [2] Las lámparas de sodio de baja presión solo dan luz amarilla monocromática y, por lo tanto, inhiben la visión del color durante la noche .
Las lámparas de encendido automático de un solo extremo están aisladas con un disco de mica y contenidas en un tubo de descarga de gas de vidrio de borosilicato (tubo de arco) y una tapa de metal. [3] [4] Incluyen la lámpara de vapor de sodio que es la lámpara de descarga de gas en el alumbrado público. [5] [6] [3] [4]
La lámpara de descarga de arco de sodio de baja presión se puso en práctica por primera vez alrededor de 1920 debido al desarrollo de un tipo de vidrio que podía resistir los efectos corrosivos del vapor de sodio. Estas lámparas funcionaban a presiones inferiores a 1 Pa y producían un espectro de luz casi monocromático alrededor de las líneas de emisión de sodio a longitudes de onda de 589,0 y 589,56 nanómetros. La luz amarilla que producían limitaba el rango de aplicaciones a aquellas en las que no se requería la visión en color. [7]
La investigación sobre lámparas de sodio de alta presión se llevó a cabo tanto en el Reino Unido como en los Estados Unidos . Al aumentar la presión del vapor de sodio, se amplió el espectro de emisión de sodio, de modo que la luz producida tenía más energía emitida en longitudes de onda por encima y por debajo de la región de 589 nm. El material de cuarzo utilizado en las lámparas de descarga de mercurio se corroía por el vapor de sodio a alta presión. En 1959 se llevó a cabo una demostración de laboratorio de una lámpara de alta presión. El desarrollo por parte de General Electric de un material de óxido de aluminio sinterizado (con óxido de magnesio añadido para mejorar la transmisión de la luz) fue un paso importante en la construcción de una lámpara comercial. El material estaba disponible en forma de tubos en 1962, pero se necesitaban técnicas adicionales para sellar los tubos y agregar los electrodos necesarios; el material no se podía fusionar como el cuarzo. Las tapas de los extremos del tubo de arco se calentarían hasta 800 °C (1470 °F) en funcionamiento, luego se enfriarían a temperatura ambiente cuando se apagara la lámpara, por lo que las terminaciones de los electrodos y el sello del tubo de arco tenían que tolerar ciclos de temperatura repetidos. Este problema fue resuelto por Michael Arendash [8] en la planta de GE Nela Park. Las primeras lámparas de sodio de alta presión comerciales estuvieron disponibles en 1965 en empresas de Estados Unidos, Reino Unido y Países Bajos; en el momento de su introducción, una lámpara de 400 vatios producía alrededor de 100 lúmenes por vatio. [7] [9]
A principios de los años 1970 también se fabricaron y utilizaron tubos de zafiro artificial monocristalino para lámparas HPS, con una ligera mejora en la eficacia, pero los costos de producción eran más altos que los de los tubos de alúmina policristalina. [7]
Las lámparas de sodio de baja presión (LPS) tienen un tubo de descarga de gas de vidrio de borosilicato (tubo de arco) que contiene sodio sólido y una pequeña cantidad de gas neón y argón en una mezcla de Penning para iniciar la descarga de gas. El tubo de descarga puede ser lineal (lámpara SLI) [10] o en forma de U. Cuando la lámpara se enciende por primera vez, emite una luz roja/rosa tenue para calentar el metal de sodio; en unos pocos minutos, a medida que el metal de sodio se vaporiza , la emisión se convierte en el amarillo brillante común . Estas lámparas producen una luz prácticamente monocromática con una longitud de onda promedio de 589,3 nm (en realidad, dos líneas espectrales dominantes muy juntas a 589,0 y 589,6 nm). Los colores de los objetos iluminados solo por este ancho de banda estrecho son difíciles de distinguir.
Las lámparas LPS tienen una envoltura de vidrio al vacío alrededor del tubo de descarga interno para el aislamiento térmico , lo que mejora su eficiencia. Las lámparas LPS anteriores tenían una camisa de Dewar desmontable (lámparas SO). [11] Las lámparas con una envoltura de vacío permanente (lámparas SOI) se desarrollaron para mejorar el aislamiento térmico. [12] Se logró una mejora adicional al recubrir la envoltura de vidrio con una capa reflectante de infrarrojos de óxido de indio y estaño , lo que dio lugar a las lámparas SOX. [13]
Las lámparas LPS se encuentran entre las fuentes de luz eléctrica más eficientes cuando se miden en condiciones de iluminación fotópica , produciendo más de 100 y hasta 206 lm / W. [14] Esta alta eficiencia se debe en parte a que la luz emitida está en una longitud de onda cercana a la sensibilidad máxima del ojo humano. Se utilizan principalmente para iluminación exterior (como farolas e iluminación de seguridad ) donde la reproducción fiel del color no es importante.
Las lámparas LPS son similares a las lámparas fluorescentes en el sentido de que son una fuente de luz de baja intensidad con una forma de lámpara lineal. No presentan un arco brillante como las lámparas de descarga de alta intensidad (HID); emiten un resplandor luminoso más suave, lo que produce menos deslumbramiento. A diferencia de las lámparas HID, durante una caída de tensión, las lámparas de sodio de baja presión vuelven a su brillo máximo rápidamente. Las lámparas LPS están disponibles con potencias nominales de 10 a 180 W; sin embargo, las lámparas de mayor longitud pueden sufrir problemas de diseño e ingeniería.
Las lámparas LPS modernas tienen una vida útil de aproximadamente 18.000 horas y no disminuyen su producción de lúmenes con el tiempo, aunque sí aumentan su consumo de energía en un 10 % aproximadamente hacia el final de su vida útil. Esta propiedad contrasta con las lámparas HID de vapor de mercurio, que se vuelven más tenues hacia el final de su vida útil hasta el punto de resultar ineficaces, mientras que consumen energía eléctrica sin disminuir.
En 2017, Philips Lighting, el último fabricante de lámparas LPS, anunció que interrumpiría la producción de las lámparas debido a la caída de la demanda. [15] Inicialmente, la producción debía eliminarse gradualmente en el transcurso de 2020, pero esta fecha se adelantó y las últimas lámparas se produjeron en la fábrica de Hamilton , Escocia, el 31 de diciembre de 2019. [16]
Para lugares donde la contaminación lumínica es un factor a considerar, como cerca de observatorios astronómicos o playas de anidación de tortugas marinas , se prefiere el sodio de baja presión (como anteriormente en San José, California y Flagstaff, Arizona ). [17] [18] Estas lámparas emiten luz en solo dos líneas espectrales dominantes (con otras líneas mucho más débiles) y, por lo tanto, tienen la menor interferencia espectral con la observación astronómica. [19] (Ahora que ha cesado la producción de lámparas LPS, se está considerando el uso de LED ámbar de banda estrecha, que están en un espectro de color similar al LPS). El color amarillo de las lámparas de sodio de baja presión también conduce al menor brillo visual del cielo, debido principalmente al desplazamiento de Purkinje de la visión humana adaptada a la oscuridad, lo que hace que el ojo sea relativamente insensible a la luz amarilla dispersa a niveles bajos de luminancia en la atmósfera clara. [20] [21] Una consecuencia del alumbrado público generalizado es que en las noches nubladas, las ciudades con suficiente iluminación se iluminan con la luz reflejada por las nubes. Allí donde las lámparas de vapor de sodio son la fuente de iluminación urbana, el cielo nocturno se tiñe de naranja.
El proceso de vapor de sodio (a veces denominado pantalla amarilla) es una técnica cinematográfica que se basa en las características de banda estrecha de la lámpara LPS. La película negativa en color normalmente no es sensible a la luz amarilla de una lámpara LPS, pero una película especial en blanco y negro puede registrarla. Utilizando una cámara especial, las escenas se graban en dos carretes simultáneamente, uno con actores (u otros objetos en primer plano) y otro que se convierte en una máscara para su posterior combinación con diferentes fondos . Esta técnica originalmente produjo resultados superiores a la tecnología de pantalla azul, y fue utilizada entre los años 1956 y 1990, principalmente por Disney Studios . Ejemplos notables de películas que utilizan esta técnica incluyen Los pájaros de Alfred Hitchcock y las películas de Disney Mary Poppins y Bedknobs and Broomsticks . Los avances posteriores en técnicas de pantalla azul y verde y las imágenes por computadora cerraron esa brecha, haciendo que la SVP fuera económicamente impráctica. [22]
Las lámparas de sodio de alta presión (HPS) se han utilizado ampliamente en la iluminación industrial, especialmente en grandes instalaciones de fabricación, y se utilizan comúnmente como luces para el crecimiento de plantas . Contienen mercurio . [23] También se han utilizado ampliamente para la iluminación de áreas exteriores, como carreteras, estacionamientos y áreas de seguridad. Comprender el cambio en la sensibilidad de la visión del color humana de fotópica a mesópica y escotópica es esencial para una planificación adecuada al diseñar la iluminación para carreteras. [24]
Las lámparas de sodio de alta presión son bastante eficientes: alrededor de 100 lúmenes por vatio, cuando se miden en condiciones de iluminación fotópica . Algunas lámparas de mayor potencia (por ejemplo, de 600 vatios) tienen una eficacia de alrededor de 150 lúmenes por vatio.
Dado que el arco de sodio de alta presión es extremadamente reactivo químicamente, el tubo del arco suele estar hecho de óxido de aluminio translúcido . Esta construcción llevó a la General Electric Company a utilizar el nombre comercial "Lucalox" para su línea de lámparas de sodio de alta presión.
El xenón a baja presión se utiliza como "gas de arranque" en la lámpara HPS. Tiene la conductividad térmica más baja y el potencial de ionización más bajo de todos los gases nobles estables . Como gas noble, no interfiere con las reacciones químicas que ocurren en la lámpara en funcionamiento. La baja conductividad térmica minimiza las pérdidas térmicas en la lámpara mientras está en estado de funcionamiento, y el bajo potencial de ionización hace que el voltaje de ruptura del gas sea relativamente bajo en el estado frío, lo que permite que la lámpara se encienda fácilmente.
La HPS blanca, una variante de la lámpara de sodio de alta presión introducida en 1986, tiene una presión más alta que la lámpara HPS típica, lo que produce una temperatura de color de alrededor de 2700 kelvin con un índice de reproducción cromática (IRC) de aproximadamente 85, que se asemeja mucho al color de una luz incandescente. [25] Estas lámparas se utilizan a menudo en interiores en cafés y restaurantes por su efecto estético. Sin embargo, las lámparas HPS blancas tienen un costo más alto, una vida útil más corta y una eficiencia lumínica menor, por lo que no pueden competir con las HPS en este momento.
Una amalgama de sodio metálico y mercurio se encuentra en la parte más fría de la lámpara y proporciona el vapor de sodio y mercurio que se necesita para crear un arco. La temperatura de la amalgama está determinada en gran medida por la potencia de la lámpara. Cuanto mayor sea la potencia de la lámpara, mayor será la temperatura de la amalgama. Cuanto mayor sea la temperatura de la amalgama, mayores serán las presiones de vapor de mercurio y sodio en la lámpara y mayor será el voltaje terminal. A medida que aumenta la temperatura, la corriente constante y el voltaje creciente consumen cada vez más energía hasta que se alcanza el nivel de potencia operativo. Para un voltaje determinado, generalmente hay tres modos de funcionamiento:
El primer y el último estado son estables, porque la resistencia de la lámpara está débilmente relacionada con el voltaje, pero el segundo estado es inestable. Cualquier aumento anómalo en la corriente provocará un aumento en la potencia, lo que provocará un aumento en la temperatura de la amalgama, lo que provocará una disminución en la resistencia, lo que provocará un aumento adicional en la corriente. Esto creará un efecto de descontrol y la lámpara saltará al estado de alta corriente (#3). Debido a que las lámparas reales no están diseñadas para manejar tanta potencia, esto daría como resultado una falla catastrófica. De manera similar, una caída anómala en la corriente hará que la lámpara se apague. El segundo estado es el estado de funcionamiento deseado de la lámpara, porque una pérdida lenta de la amalgama a lo largo del tiempo de un depósito tendrá menos efecto en las características de la lámpara que una amalgama completamente evaporada. El resultado es una vida útil promedio de la lámpara de más de 20.000 horas.
En la práctica, la lámpara se alimenta mediante una fuente de voltaje de CA en serie con un " balasto " inductivo para suministrar una corriente casi constante a la lámpara, en lugar de un voltaje constante, lo que garantiza un funcionamiento estable. El balasto suele ser inductivo en lugar de simplemente resistivo para minimizar el desperdicio de energía por pérdidas de resistencia. Debido a que la lámpara se apaga de manera efectiva en cada punto de corriente cero en el ciclo de CA, el balasto inductivo ayuda a la reencendido al proporcionar un pico de voltaje en el punto de corriente cero.
La luz de la lámpara está formada por líneas de emisión atómica de mercurio y sodio, pero está dominada por la línea de emisión D del sodio. Esta línea está extremadamente ensanchada por la presión (resonancia) y también se invierte por sí sola debido a la absorción en las capas externas más frías del arco, lo que le da a la lámpara sus características mejoradas de reproducción cromática . Además, el ala roja de la emisión de la línea D está aún más ensanchada por la presión debido a las fuerzas de Van der Waals de los átomos de mercurio en el arco.
Al final de su vida útil, las lámparas de sodio de alta presión (HPS) presentan un fenómeno conocido como ciclado , causado por una pérdida de sodio en el arco. El sodio es un elemento altamente reactivo y se pierde en una reacción con el óxido de aluminio del tubo del arco. Los productos son óxido de sodio y aluminio :
Como resultado, estas lámparas pueden encenderse a un voltaje relativamente bajo, pero, a medida que se calientan durante el funcionamiento, la presión interna del gas dentro del tubo de arco aumenta y se requiere cada vez más voltaje para mantener la descarga del arco . A medida que una lámpara envejece, el voltaje de mantenimiento del arco eventualmente aumenta para superar el voltaje máximo de salida del balasto eléctrico. A medida que la lámpara se calienta hasta este punto, el arco falla y la lámpara se apaga. Finalmente, con el arco extinguido, la lámpara se enfría nuevamente, la presión del gas en el tubo de arco se reduce y el balasto puede hacer que el arco se inicie nuevamente. El efecto de esto es que la lámpara brilla por un tiempo y luego se apaga, generalmente comenzando con un blanco puro o azulado y luego pasando a un rojo anaranjado antes de apagarse.
Los diseños de encendedores más sofisticados detectan el ciclo y dejan de intentar encender la lámpara después de unos pocos ciclos, ya que los encendidos repetidos de alto voltaje necesarios para reiniciar el arco reducen la vida útil del balasto o del encendedor, según la configuración del encendedor. Si se corta la energía y se vuelve a aplicar, el balasto realizará una nueva serie de intentos de encendido.
La falla de la lámpara LPS no produce un ciclo de encendido, sino que simplemente no se enciende o mantiene el brillo rojo apagado de la fase de encendido. En otro modo de falla, una pequeña perforación del tubo de arco deja escapar parte del vapor de sodio hacia el bulbo de vacío externo. El sodio se condensa y crea un espejo en el vidrio externo, oscureciendo parcialmente el tubo de arco. La lámpara a menudo continúa funcionando normalmente, pero gran parte de la luz generada es oscurecida por el revestimiento de sodio, lo que no proporciona iluminación.
